图形图像中的数学-跳动的红心

跳动的红心

最新一步电视剧里面有程序员写的跳动的红心,不少人私下问我是如何实现的。红心图像如下

heart.jpg

红心中的数学

红心的顶部其实比较简单,左边和右边的心瓣都可以用半圆来构成。

半径为r的标准圆的方程为:
x^2 + y^2 = r^2
分别把这个圆的圆心向平移(-r, 0), (r, 0)并抛弃y<0的部分我们就可以得到红心的上半部分:
y = \begin{cases} \sqrt{r^2 - (x+r)^2}, & x \in [-2r, 0] \\ \sqrt{r^2 - (x-r)^2}, & x \in [0, 2r] \end{cases}

halfcircle.png

现在就剩下下半部分。

我们可以看一下y = acos(x)的图形

acos.png

看起来非常的像半个心尖了。我们把这个图在x方向向左平移1,向下平移\pi就可以得到左半部分的心尖。
y = acos(x + 1) - \pi

acos_left.png

右边部分只需要对称一下就好了,最后的公式为
y = acos(1-|x|) - \pi, x \in [-2, 2]
这样全部的数学公式就已经完成。

使用上面的公式,文章开头的图其实就已经可以绘制出来了。现在需要解决的问题是,我们怎么心动?

其实稍微分析一下也很简单,无非就是一个缩放。上面的两个半圆半径需要缩放,下面的反正弦函数也缩放一下就好了。半圆公式已经支持不同的半径,我们先把反正弦函数改造如下
y = \alpha(acos(1-|x/r|) - \pi), x \in [-2, 2]
其中r的半圆的半径,这个半径会跟随时间变化。
r = r_0 \alpha
\alpha是一个随着时间变化的参数。它来控制整体形状的大小,为了变化平滑,我们可以让它为帧号的函数
\alpha = 1 - 0.2*\cos(t*2)
这里t是当前的时间戳,2, 0.2都是根据自己喜好可以调整的,0.2控制大小变化的幅度,2控制变化的速度。

到这里,其实我们的心就已经可以随着时间变化了。

最终结果

编写程序就可以绘制出最终我们想要的红心。这里我使用python分别绘制了边框的红心和填充的红心。使用的函数都是比较简单的,简单实用。

animation.gif
heart_fill.gif

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